近年來，隨著電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業控制和日常生活中的應用越來越廣泛。這些非線性負荷設備大量涌入電力系統，導致電網中的諧波分量大大增加，電網波形畸變日趨嚴重，對電力系統中的發變電設備、繼電保護裝置、通信設備和測量儀器等造成了不同程度的危害。因此，實時可靠地監測和分析電網及非線性用電設備的諧波，將有利于電能質量的評估，為諧波污染的治理提供依據。

    電力網絡監控儀廣泛用于變配電站、智能型配電盤/開關柜、智能建筑和能源管理系統中等，借助一定的通信規約，實現了遠程數據的采集與控制。目前存在的電力參數測量儀表多以專用測量芯片和DSP芯片為核心，但大多數專用測量芯片不具備測量諧波的功能，且移植性差,不利于擴展和升級；高端的監控儀集成了ADC+DSP+ARM結構，雖測量精度大幅度提高，但增加了硬件成本和復雜度,不利于數字化監控儀的推廣使用。本文所設計的電力網絡監控儀采用了高精度ADC與ARM結合的模式，利用LPC2138芯片的高性能多資源的特點,實現高準確度電量參數計量和實時諧波分析。ARM芯片具有高性價比、高可靠性和低功耗等特點，易于大范圍推廣使用。
　    數據采集模塊是保證諧波測量精度的基礎，本文在用FFT做諧波測量的工程應用中對傳統電力網絡監控儀的數據采集模塊進行了改進。文中采用6通道16 bit的高精度A/D轉換芯片CS5451,加入鎖相環頻率跟蹤電路，基于改進的加窗插值FFT算法，使諧波分析的精度在工程應用中大幅度提高。
1 加窗插值基-2FFT算法原理
    主要的諧波分析檢測方法有快速傅里葉變換(FFT)、人工神經網絡、奇異值分解、小波變換[3]等。其中FFT算法因計算高效性而在諧波分析中得到廣泛的應用。
　 采用FFT算法進行電力系統諧波分析時很難做到同步采樣和整數周期截斷,存在泄漏現象和柵欄效應，使算出的信號參數不準，尤其是相位誤差很大，無法滿足準確的諧波測量要求。通過加窗插值算法可以消除柵欄效應引起的誤差[5-7]，提高電力系統基波與各次諧波的分析精度。
    在實際測量中應用最多的窗是矩形窗、Hanning窗和Blackman窗。其中Hanning窗的窗口在邊界處平滑衰減到0，可有效減小諧波間泄漏，且幅值分辨率和頻率分辨率精度較高,因此本文選用Hanning窗。

    FFT算法流程圖如圖1所示。

2 數據處理模塊的硬件設計
    DFT或FFT都是建立在同步采樣條件之上的，存在同步偏差時，基于DFT或FFT的諧波分析會產生同步誤差。減少或者消除同步誤差的方法是使用同步采樣技術。本文在系統中采用同步采樣環節，使采樣點均勻分布在電網的一個整周波內，實現同步采樣。
　 目前同步采樣的實現方法主要有軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。但由于電網工頻信號的頻率并不穩定，如果采用軟件定時來采樣，雖然采樣點之間的時間間隔相等，但因信號周期長度的變化，使得每個周期內的采樣點數不固定，且不同周期的采樣點對應的相位也是隨機改變的。一個周期內的采樣點數越少，這個問題就越嚴重也就無法對采樣信號進行快速傅里葉變換。因此本文中采用硬件同步采樣法實現同步采樣。
2.1 系統總體結構設計
　 電力網絡監控儀的硬件結構主要由四部分組成：電源板、主板、CPU板和液晶顯示模塊。如圖2所示。

    電源板主要是實現由交流電到直流電的轉換，滿足不同器件所需的供電電壓；CPU板主要完成對采集的數據進行相應的電壓電流均值計算和諧波分析并完成相應數據儲存；主板采用鎖相環倍頻技術實現交流同步采樣，并通過串口與上位機通信。本文重點介紹數據采集模塊的硬件設計。
　 本文設計利用鎖相環技術實現同步等間隔采樣，即硬件同步采樣法。硬件同步采樣法是采用鎖相環頻率倍增技術來控制采樣的定時和速率：鎖相環組成的倍頻器的輸出可以用作采樣脈沖，與待測信號保持同步，由此觸發A/D轉換器進行等間隔同步采樣。即可在每個信號周期內，使輸出的脈沖間隔相等、個數固定，且在不同周期采樣對應點的相位角相同，而脈沖信號之間的時間間隔隨輸入信號頻率的波動而改變。
2.2 鎖相環頻率跟蹤電路
    如圖3所示的電路是一典型的鎖相環頻率跟蹤電路。鎖相環路是一個相位反饋自動控制系統。它由相位比較器、濾波器和振蕩器幾個基本部件組成。壓控振蕩器的輸出經采集并分頻后，與輸入信號同時輸入相位比較器。相位比較器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓，控制振蕩器，改變它的頻率，電路自動跟蹤并鎖定，經過一個很短的時間，振蕩器的輸出就會穩定于某一期望值，達到鎖相狀態，實現同步采樣。

    基于鎖相環的同步采集模塊采用六通道并行同步采樣的高速模數轉換器芯片，可大大提高交流電各種參數的測量精度。利用ARM片內豐富的硬件資源和高速處理能力，植入嵌入式實時操作系統，將諧波算法程序作為任務之一，使功能模塊化，易于功能的擴展和軟件的升級，對同類儀器有一定的參考價值。
參考文獻
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